JP2013222800A - Nitride semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、窒化物半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device and a method for manufacturing the same.
従来、窒化物半導体装置としては、GaN層上にAlGaN層が形成され、このAlGaN層から上記GaN層に至るリセスに、TiおよびAlをこの順序で蒸着し、700℃で熱処理して、オーミック電極としたものが、特許文献1(特許第4333652号公報)に開示されている。 Conventionally, as a nitride semiconductor device, an AlGaN layer is formed on a GaN layer, and Ti and Al are vapor-deposited in this order in a recess extending from the AlGaN layer to the GaN layer, and heat-treated at 700 ° C. to form an ohmic electrode. Is disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 4333352).
ところが、上記窒化物半導体装置について、本発明者が実際に実験を行ってオーミック電極を形成した場合、オーミック電極のコンタクト抵抗が高く、十分に低いコンタクト抵抗を得ることはどうしてもできなかった。 However, when the inventor actually conducted an experiment on the nitride semiconductor device to form an ohmic electrode, the contact resistance of the ohmic electrode was high, and a sufficiently low contact resistance could not be obtained.
そこで、この発明の課題は、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる窒化物半導体装置およびその製造方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device that can reduce the contact resistance between the nitride semiconductor layer and the ohmic electrode, and a method for manufacturing the same.
本発明は、本発明者による種々の実験の過程で、窒化物半導体装置のTiAl系材料からなるオーミック電極において、Tiの結晶性を崩して形成した場合にコンタクト抵抗が低減しているという予想外の知見を得たことに基づいて、創出された。 In the present invention, in the course of various experiments by the inventor, an ohmic electrode made of a TiAl-based material of a nitride semiconductor device is unexpectedly expected to have a reduced contact resistance when formed by breaking the crystallinity of Ti. It was created based on the knowledge of
すなわち、第1の発明の窒化物半導体装置は、
基板と、
上記基板上に形成されていると共にヘテロ界面を有する窒化物半導体積層体と、
上記窒化物半導体積層体上または上記窒化物半導体積層体内に少なくとも一部が形成されたTiAl系材料からなるオーミック電極と
を備え、
上記窒化物半導体積層体は、
上記基板上に形成された第1の窒化物半導体層と、
上記第1の窒化物半導体層上に形成されていると共に上記第1の窒化物半導体層とヘテロ界面を形成する第2の窒化物半導体層と
を有し、
上記TiAl系材料からなるオーミック電極は、
上記窒化物半導体積層体上にX線回折による(002)面のロッキングカーブの半値幅が7°以上であるTi膜を形成し、このTi膜上にAl膜を積層し、上記Al膜に上記Ti膜のTiが拡散するように熱処理して作製されていることを特徴としている。
That is, the nitride semiconductor device of the first invention is
A substrate,
A nitride semiconductor multilayer body formed on the substrate and having a heterointerface;
An ohmic electrode made of a TiAl-based material formed at least partially on the nitride semiconductor multilayer body or in the nitride semiconductor multilayer body,
The nitride semiconductor laminate is
A first nitride semiconductor layer formed on the substrate;
A second nitride semiconductor layer formed on the first nitride semiconductor layer and forming a heterointerface with the first nitride semiconductor layer;
The ohmic electrode made of the TiAl-based material is
A Ti film having a half-width of a rocking curve of (002) plane by X-ray diffraction of 7 ° or more is formed on the nitride semiconductor multilayer body, an Al film is laminated on the Ti film, and the Al film is laminated on the Al film. It is characterized by being manufactured by heat treatment so that Ti of the Ti film diffuses.
この第1の発明の窒化物半導体装置によれば、上記TiAl系材料からなるオーミック電極を作製する際に形成するTi膜は、X線回折による(002)面のロッキングカーブの半値幅が7°以上であることにより、低いコンタクト抵抗(例えば2Ωmm以下)を得ることができる。 According to the nitride semiconductor device of the first aspect of the invention, the Ti film formed when the ohmic electrode made of the TiAl-based material has a half width of the rocking curve of the (002) plane by X-ray diffraction is 7 °. By the above, a low contact resistance (for example, 2 Ωmm or less) can be obtained.
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、上記窒化物半導体積層体は、
上記第2の窒化物半導体層を貫通して上記ヘテロ界面近傍の2次元電子ガス層に達する凹部を有し、
上記凹部に上記オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれている。
In one embodiment of the nitride semiconductor device, the nitride semiconductor stack is
Having a recess that penetrates the second nitride semiconductor layer and reaches the two-dimensional electron gas layer near the heterointerface;
At least a part of the ohmic electrode is embedded in the recess.
この実施形態によれば、リセス構造の窒化物半導体装置において、第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層とのヘテロ界面近傍の2次元電子ガス層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。 According to this embodiment, in the nitride semiconductor device having a recess structure, the contact resistance between the two-dimensional electron gas layer and the ohmic electrode in the vicinity of the heterointerface between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer is reduced. Can be reduced.
また、第2の発明の窒化物半導体装置の製造方法は、
基板上に第1,第2の窒化物半導体層を順に形成して上記第1,第2の窒化物半導体層によるヘテロ界面を有すると共に、上記ヘテロ界面の近傍に2次元電子ガス層が形成されるように、窒化物半導体積層体を形成し、
上記窒化物半導体積層体上に、50℃以下の温度でTiをスパッタリングして、X線回折による(002)面のロッキングカーブの半値幅が7°以上であるTi膜を形成し、上記Ti膜上にAl膜を積層してTi/Al層を形成し、
上記Al膜に上記Ti膜のTiが拡散するように上記Ti/Al層を熱処理して、TiAl系材料からなるオーミック電極を形成することを特徴としている。
A method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the second aspect of the invention includes
First and second nitride semiconductor layers are sequentially formed on a substrate to have a heterointerface by the first and second nitride semiconductor layers, and a two-dimensional electron gas layer is formed in the vicinity of the heterointerface. So as to form a nitride semiconductor stack,
On the nitride semiconductor laminate, Ti is sputtered at a temperature of 50 ° C. or less to form a Ti film having a half-width of a rocking curve of (002) plane by X-ray diffraction of 7 ° or more, and the Ti film Laminating an Al film on top to form a Ti / Al layer,
The Ti / Al layer is heat-treated so that Ti of the Ti film diffuses into the Al film to form an ohmic electrode made of a TiAl-based material.
この第2の発明によれば、50℃以下の温度でTiをスパッタリングして、X線回折による(002)面のロッキングカーブの半値幅が7°以上であるTi膜を形成し、上記Ti膜上にAl膜を積層して、上記熱処理によりオーミック電極にする上記Ti/Al層を形成する。これにより、低いコンタクト抵抗(例えば2Ωmm以下)のオーミック電極を得ることができる。 According to the second aspect of the present invention, Ti is sputtered at a temperature of 50 ° C. or lower to form a Ti film having a half-width of a rocking curve of (002) plane by X-ray diffraction of 7 ° or more. The Ti / Al layer is formed by laminating an Al film thereon to form an ohmic electrode by the heat treatment. Thereby, an ohmic electrode having a low contact resistance (for example, 2 Ωmm or less) can be obtained.
また、第3の発明の窒化物半導体装置の製造方法は、
基板上に第1,第2の窒化物半導体層を順に形成して上記第1,第2の窒化物半導体層によるヘテロ界面を有すると共に、上記ヘテロ界面の近傍に2次元電子ガス層が形成されるように、窒化物半導体積層体を形成し、
スパッタチャンバー内に酸素を流してから上記窒化物半導体積層体上にTiをスパッタして、X線回折による(002)面のロッキングカーブの半値幅が7°以上であるTi膜を形成し、上記Ti膜上にAl膜をスパッタして、Ti/Al層を形成し、
上記Al膜に上記Ti膜のTiが拡散するように上記Ti/Al層を熱処理して、TiAl系材料からなるオーミック電極を形成することを特徴としている。
A method for manufacturing a nitride semiconductor device according to a third aspect of the invention includes
First and second nitride semiconductor layers are sequentially formed on a substrate to have a heterointerface by the first and second nitride semiconductor layers, and a two-dimensional electron gas layer is formed in the vicinity of the heterointerface. So as to form a nitride semiconductor stack,
After flowing oxygen into the sputter chamber, Ti is sputtered on the nitride semiconductor laminate to form a Ti film having a half-width of the rocking curve of the (002) plane by X-ray diffraction of 7 ° or more. Sputter an Al film on the Ti film to form a Ti / Al layer,
The Ti / Al layer is heat-treated so that Ti of the Ti film diffuses into the Al film to form an ohmic electrode made of a TiAl-based material.
この第3の発明によれば、チャンバー内に酸素を流してから上記窒化物半導体積層体上にTiをスパッタして、X線回折による(002)面のロッキングカーブの半値幅が7°以上であるTi膜を形成し、上記Ti膜上にAlを積層して上記熱処理によりオーミック電極にする上記Ti/Al層を形成する。これにより、低いコンタクト抵抗(例えば2Ωmm以下)のオーミック電極を得ることができる。 According to the third aspect of the present invention, after flowing oxygen into the chamber, Ti is sputtered on the nitride semiconductor laminate, and the half width of the rocking curve of the (002) plane by X-ray diffraction is 7 ° or more. A Ti film is formed, Al is laminated on the Ti film, and the Ti / Al layer is formed as an ohmic electrode by the heat treatment. Thereby, an ohmic electrode having a low contact resistance (for example, 2 Ωmm or less) can be obtained.
また、一実施形態の窒化物半導体装置の製造方法は、上記Ti/Al層を400℃以上かつ550℃以下で熱処理して上記TiAl系材料からなるオーミック電極を形成する。 In one embodiment of the method for manufacturing a nitride semiconductor device, the Ti / Al layer is heat-treated at 400 ° C. or more and 550 ° C. or less to form an ohmic electrode made of the TiAl-based material.
この実施形態によれば、400℃〜550℃の低い温度の熱処理で低いコンタクト抵抗(例えば2Ωmm以下)のオーミック電極を得ることができるので、半導体界面や素子自体に悪影響が出ることを回避でき、素子の信頼性や性能を向上できる。 According to this embodiment, an ohmic electrode having a low contact resistance (for example, 2 Ωmm or less) can be obtained by heat treatment at a low temperature of 400 ° C. to 550 ° C., so that adverse effects on the semiconductor interface and the element itself can be avoided, The reliability and performance of the element can be improved.
一例として、窒化物半導体層からの窒素抜けによる電流コラプスの悪化を防止できる。ここで、「電流コラプス」とは、低電圧動作でのトランジスタのオン抵抗と比べて高電圧動作でのトランジスタのオン抵抗が高くなってしまう現象である。 As an example, current collapse can be prevented from deteriorating due to nitrogen depletion from the nitride semiconductor layer. Here, “current collapse” is a phenomenon in which the on-resistance of a transistor in a high voltage operation becomes higher than the on-resistance of the transistor in a low voltage operation.
また、一実施形態の窒化物半導体装置の製造方法は、上記窒化物半導体積層体を形成した後、エッチングにより上記第2の窒化物半導体層を貫通して上記ヘテロ界面近傍の2次元電子ガス層に達する凹部を形成し、
上記オーミック電極は、上記窒化物半導体積層体の凹部に少なくとも一部が埋め込まれるように形成する。
According to another embodiment of the method of manufacturing a nitride semiconductor device, the two-dimensional electron gas layer in the vicinity of the heterointerface passes through the second nitride semiconductor layer by etching after forming the nitride semiconductor stacked body. Forming a recess that reaches
The ohmic electrode is formed so as to be at least partially embedded in the recess of the nitride semiconductor multilayer body.
この実施形態によれば、リセス構造の窒化物半導体装置において、上記ヘテロ界面近傍の2次元電子ガス層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。 According to this embodiment, in the nitride semiconductor device having a recess structure, the contact resistance between the two-dimensional electron gas layer near the heterointerface and the ohmic electrode can be reduced.
この発明の窒化物半導体装置によれば、TiAl系材料からなるオーミック電極を作製する際に形成するTi膜は、X線回折による(002)面のロッキングカーブの半値幅が7°以上であることにより、低いコンタクト抵抗(例えば2Ωmm以下)を得ることができる。 According to the nitride semiconductor device of the present invention, the Ti film formed when producing an ohmic electrode made of a TiAl-based material has a half width of a rocking curve of the (002) plane by X-ray diffraction of 7 ° or more. Thus, a low contact resistance (for example, 2 Ωmm or less) can be obtained.
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
(第1の実施の形態)
図1は、この発明の第1実施形態の窒化物半導体装置の断面図を示しており、この窒化物半導体装置はGaN系HFET(Hetero-junction Field Effect Transistor;ヘテロ接合電界効果トランジスタ)である。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a nitride semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, which is a GaN-based HFET (Hetero-junction Field Effect Transistor).
この半導体装置は、図1に示すように、Si基板10上に、アンドープAlGaNバッファ層15、第1の窒化物半導体層の一例としてのアンドープGaN層1と、第2の窒化物半導体層の一例としてのアンドープAlGaN層2からなる窒化物半導体積層体20を形成している。このアンドープGaN層1とアンドープAlGaN層2とのヘテロ界面近傍に2DEG(2次元電子ガス)層3が発生する。
As shown in FIG. 1, the semiconductor device includes an undoped
なお、上記GaN層1に替えて、上記AlGaN層2よりもバンドギャップの小さい組成を有するAlGaN層としてもよい。また、上記AlGaN層2上にキャップ層として例えばGaNからなる約1nmの厚さの層を設けてもよい。
In place of the GaN layer 1, an AlGaN layer having a smaller band gap than the
また、ソース電極11とドレイン電極12とを、上記AlGaN層2と2DEG層3を貫通してGaN層1まで達する凹部106と凹部109とに互いに間隔をあけて形成している。また、AlGaN層2上に、ソース電極11とドレイン電極12との間かつソース電極11側にゲート電極13を形成している。ソース電極11とドレイン電極12はオーミック電極であり、ゲート電極13はショットキー電極である。上記ソース電極11と、ドレイン電極12と、ゲート電極13と、そのソース電極11,ドレイン電極12,ゲート電極13が形成されたGaN層1,AlGaN層2の活性領域でHFETを構成している。
Further, the
ここで、上記活性領域とは、AlGaN層2上のソース電極11とドレイン電極12との間に配置されたゲート電極13に印加される電圧によって、ソース電極11とドレイン電極12との間でキャリアが流れる窒化物半導体積層体20(GaN層1,AlGaN層2)の領域である。
Here, the active region is a carrier between the
そして、ソース電極11とドレイン電極12とゲート電極13が形成された領域を除くAlGaN層2上に、このAlGaN層2を保護するため、SiO2からなる絶縁膜30を形成している。また、ソース電極11とドレイン電極12とゲート電極13とが形成されたSi基板10上に、ポリイミドからなる層間絶縁膜40を形成している。また、図1において、41はコンタクト部としてのビア、42はドレイン電極パッドである。なお、上記絶縁膜30の材質は、SiO2に限らず、SiNやAl2O3などを用いてもよい。特に、上記絶縁膜としては、コラプス抑制のために半導体層表面にストイキオメトリックを崩したSiN膜と表面保護のためのSiO2やSiNの多層膜構造とするのが好ましい。また、上記層間絶縁膜40は、ポリイミドに限らず、p−CVD(プラズマCVD)で製造したSiO2膜やSOG(Spin On Glass)やBPSG(ホウ素・リン・シリケート・ガラス)などの絶縁材料を用いてもよい。
An insulating
上記構成の窒化物半導体装置において、GaN層1とAlGaN層2とのヘテロ界面近傍に発生した2次元電子ガス層(2DEG層)3でチャネルが形成され、このチャネルをゲート電極13に電圧を印加することにより制御して、ソース電極11とドレイン電極12とゲート電極13を有するHFETをオンオフさせる。このHFETは、ゲート電極13に負電圧が印加されているときにゲート電極13下のGaN層1に空乏層が形成されてオフ状態となる一方、ゲート電極13の電圧がゼロのときにゲート電極13下のGaN層1に空乏層がなくなってオン状態となるノーマリーオンタイプのトランジスタである。
In the nitride semiconductor device having the above configuration, a channel is formed by the two-dimensional electron gas layer (2DEG layer) 3 generated in the vicinity of the heterointerface between the GaN layer 1 and the
次に、上記窒化物半導体装置の製造方法を図2〜図6に従って説明する。なお、図2〜図6では、図を見やすくするためにSi基板やアンドープAlGaNバッファ層を図示せず、また、ソース電極とドレイン電極の大きさや間隔を変えている。 Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor device will be described with reference to FIGS. 2 to 6, the Si substrate and the undoped AlGaN buffer layer are not shown in order to make the drawings easy to see, and the sizes and intervals of the source electrode and the drain electrode are changed.
まず、図2に示すように、Si基板(図示せず)上に、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長)法を用いて、アンドープAlGaNバッファ層(図示せず)、アンドープGaN層101とアンドープAlGaN層102を順に形成する。アンドープGaN層101の厚さは、例えば1μm、アンドープAlGaN層102の厚さは例えば30nmとする。このGaN層101とAlGaN層102が窒化物半導体層120を構成している。
First, as shown in FIG. 2, an undoped AlGaN buffer layer (not shown), undoped GaN are formed on a Si substrate (not shown) using MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). A
次に、AlGaN層102上に、絶縁膜130(例えばSiO2)を例えばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長))法により200nmの厚さで成膜する。図2において、103は、GaN層101とAlGaN層102とのヘテロ界面近傍に形成される2次元電子ガス(2DEG)層である。
Next, an insulating film 130 (for example, SiO 2 ) is formed with a thickness of 200 nm on the
次に、絶縁膜130上にフォトレジストを塗布してパターニングした後、ドライエッチングにより、図3に示すように、オーミック電極を形成すべき部分を除去して、AlGaN層102を貫通してGaN層101の上側の一部に達する凹部106,109を形成する。この凹部106,109の深さはAlGaN層102の表面から2DEG層103までの深さ以上であればよく、例えば50nmとする。そして、上記ドライエッチング後に、例えば500〜850℃でアニールを行う。
Next, after applying and patterning a photoresist on the insulating
次に、図4に示すように、絶縁膜130上および凹部106,109にスパッタリングによりTi膜107を形成する。このスパッタリングによるTi膜107の成膜を50℃以下の低温で行なう。これにより、X線回折による(002)面のロッキングカーブの半値幅が7°以上であるTi膜107を形成する。なお、上記Ti膜のスパッタリング温度の下限値は、一例として室温(例えば20℃)とすることができる。
Next, as shown in FIG. 4, a
次に、絶縁膜130上および凹部106,109に形成したTi膜107上に、Al,TiNをAl,TiNの順にスパッタリングして、Al膜上にTiN膜が積層したAl/TiN層をTi膜107上に積層する。このスパッタリング温度は、例えば、50℃〜200℃で行なう。これにより、図5に示すように、オーミック電極となる積層金属膜108を形成する。ここで、上記TiN層は、後工程からTi/Al層を保護するためのキャップ層である。
Next, Al / TiN is sputtered in the order of Al and TiN on the insulating
次に、図6に示すように、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、オーミック電極111,112のパターンを形成する。
Next, as shown in FIG. 6, patterns of
そして、上記オーミック電極111,112が形成された基板を例えば400℃以上かつ550℃以下で10分以上アニールすることによって、2DEG層103とオーミック電極111,112との間にオーミックコンタクトが得られる。この場合、550℃を超える高温でアニールした場合に比べてオーミック電極111,112のコンタクト抵抗を大幅に低減できる。また、400℃以上かつ550℃以下の低温でアニールすることにより絶縁膜130への電極金属の拡散を抑制でき、絶縁膜130の特性に悪影響を与えることがない。また、上記低温のアニールにより、GaN層101からの窒素抜けによる電流コラプスの悪化や特性変動を防ぐことができる。なお、「電流コラプス」とは、低電圧動作でのトランジスタのオン抵抗と比べて高電圧動作でのトランジスタのオン抵抗が高くなってしまう現象である。
An ohmic contact is obtained between the
ここでは、上記アニール時間を10分間以上としたが、上記アニール時間は、AlにTiが十分に拡散する時間に設定すればよい。 Here, the annealing time is set to 10 minutes or longer. However, the annealing time may be set to a time during which Ti sufficiently diffuses into Al.
上記オーミック電極111,112がソース電極11とドレイン電極12となり、後の工程でオーミック電極111,112の間にTiNまたはWNなどからなるゲート電極が形成される。
The
本発明者らは、窒化物半導体装置の1つであるGaN系HFETについて行った様々な実験の過程で、TiAl系材料からなるオーミック電極において、Tiの結晶性を崩した方がコンタクト抵抗が低減しているという予想外の知見を得た。 In the course of various experiments conducted on a GaN-based HFET, which is one of the nitride semiconductor devices, the present inventors have reduced contact resistance when the Ti crystallinity is broken in an ohmic electrode made of a TiAl-based material. I got an unexpected finding that
すなわち、この実施形態によれば、上記TiAl系材料からなるオーミック電極111,112を作製する際に形成するTi膜107のX線回折による(002)面のロッキングカーブの半値幅が7°以上であることにより、低いコンタクト抵抗(一例として2Ωmm以下)を得ることができる。
That is, according to this embodiment, the half width of the rocking curve of the (002) plane by X-ray diffraction of the
特に、GaNデバイスのようなオン抵抗を小さくできる材料を用いた半導体装置では、オン抵抗にコンタクト抵抗が占める割合が相対的に高くなるので、コンタクト抵抗を2Ωmm以下の低い値にまで低減できることは非常に有用であり、大電流駆動が可能でかつ高温動作に適した製品として性能面およびコスト面で商業的価値を有する。 In particular, in a semiconductor device using a material that can reduce the on-resistance such as a GaN device, the ratio of the contact resistance to the on-resistance is relatively high, so that it is very possible to reduce the contact resistance to a low value of 2 Ωmm or less. As a product that can be driven at a large current and is suitable for high-temperature operation, it has commercial value in terms of performance and cost.
図7は、上記窒化物半導体積層体20の凹部106,109に積層するTi膜の(002)面のロッキングカーブの半値幅と、オーミック電極のコンタクト抵抗との関係を示すグラフである。このオーミック電極は、上述の如く、上記Ti膜上にAl,TiNをAl,TiNの順にスパッタリングしアニール(400〜550℃)して作製したものである。図7に示すように、上記Ti膜の(002)面のロッキングカーブの半値幅が、7°以上であること(つまりTiの結晶性が低いこと)により、コンタクト抵抗を2Ωmm以下の低い値にまで低減できる。一方、上記Ti膜の(002)面のロッキングカーブの半値幅が、7°未満になる(つまりTiの結晶性が高い)とコンタクト抵抗が急増している。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the half-value width of the rocking curve of the (002) plane of the Ti film stacked in the
図8は、上記スパッタリングによるTi膜の成膜の温度と、X線回折による上記Ti膜の(002)面のロッキングカーブの半値幅FWHM(°)との関係を示すグラフである。図8に示すように、上記Ti膜の成膜の温度を50°以下にすることで、スパッタによる成膜後のTi膜の(002)面のロッキングカーブの半値幅FWHM(°)が7°以上になる。一方、上記Tiの成膜温度が50℃を超えると、上記Ti膜の(002)面のロッキングカーブの半値幅FWHM(°)が7°から急低下している。 FIG. 8 is a graph showing the relationship between the film formation temperature of the Ti film by sputtering and the half width FWHM (°) of the rocking curve of the (002) plane of the Ti film by X-ray diffraction. As shown in FIG. 8, by setting the Ti film formation temperature to 50 ° or less, the half width FWHM (°) of the rocking curve of the (002) plane of the Ti film after the film formation by sputtering is 7 °. That's it. On the other hand, when the Ti deposition temperature exceeds 50 ° C., the full width at half maximum FWHM (°) of the rocking curve of the (002) plane of the Ti film suddenly decreases from 7 °.
このように、上記スパッタリングによるTi膜の成膜の温度を、50℃以下にすることで、Tiの結晶性が低くなり、成膜後のTi膜の(002)面のロッキングカーブの半値幅FWHM(°)を7°以上にでき、オーミック電極111,112のコンタクト抵抗を2Ωmm以下の低い値に低減できる。
Thus, by setting the temperature of Ti film formation by sputtering to 50 ° C. or less, the crystallinity of Ti is lowered, and the FWHM of the rocking curve of the (002) plane of the Ti film after film formation is FWHM. (°) can be set to 7 ° or more, and the contact resistance of the
(第2の実施の形態)
次に、この発明の第2実施形態としての窒化物半導体装置の製造方法を説明する。この第2実施形態は、前述の第1実施形態で説明した窒化物半導体装置の製造方法と比べて、上記Ti膜107の形成に関する点だけが異なる。よって、この第2実施形態では、前述の第1実施形態で説明した窒化物半導体装置の製造方法と異なる点を主に説明する。
(Second embodiment)
Next explained is a method for manufacturing a nitride semiconductor device as a second embodiment of the invention. The second embodiment is different from the nitride semiconductor device manufacturing method described in the first embodiment only in the point relating to the formation of the
この第2実施形態の製造方法では、前述の第1実施形態で図2、図3を参照して説明したのと同様に、アンドープGaN層101とアンドープAlGaN層102を順に形成し、AlGaN層102上に絶縁膜130を成膜し、ドライエッチングにより、凹部106,109を形成する。
In the manufacturing method of the second embodiment, as described with reference to FIGS. 2 and 3 in the first embodiment, the
次に、スパッタチャンバー内に、酸素ガスO2と窒素ガスN2とを、酸素ガスO2を20sccm,窒素ガスN2を80sccmで5分間流してから、上記窒化物半導体積層体120上にTiをスパッタして、図4に示すように、絶縁膜130上および凹部106,109にTi膜107を形成する。これにより、X線回折による(002)面のロッキングカーブの半値幅が7°以上であるTi膜107を形成する。
Next, oxygen gas O 2 and nitrogen gas N 2 are flowed into the sputtering chamber at a flow rate of 20 sccm for oxygen gas O 2 and 80 sccm for nitrogen gas N 2 for 5 minutes. As shown in FIG. 4, a
次に、前述の第1実施形態で図5、図6を参照して説明したのと同様に、上記Ti膜107上にスパッタによりAl/TiNを積層して、オーミック電極となる積層金属膜108を形成し、ドライエッチングにより、オーミック電極111,112のパターンを形成する。さらに、400℃以上かつ550℃以下で10分以上のアニールを行なうことによって、2DEG層103とオーミック電極111,112との間にオーミックコンタクトが得られる。なお、上記Ti膜107およびAl/TiNのスパッタ温度は、一例として、50℃〜200℃とした。
Next, in the same manner as described with reference to FIGS. 5 and 6 in the first embodiment, Al / TiN is laminated on the
この第2実施形態の製造方法によれば、上記TiAl系材料からなるオーミック電極111,112を作製する際に形成するTi膜107のX線回折による(002)面のロッキングカーブの半値幅が7°以上であることにより、低いコンタクト抵抗(一例として2Ωmm以下)を得ることができる。
According to the manufacturing method of the second embodiment, the half width of the rocking curve of the (002) plane by X-ray diffraction of the
図9は、上記スパッタチャンバー内に流す酸素ガスの体積 (cc)と窒素ガスの体積(cc)との和である(N2+O2)パージ体積(cc)を横軸にとり、X線回折による上記Ti膜の(002)面のロッキングカーブの半値幅FWHM(°)を縦軸にとったグラフである。図9を参照すれば、上記(N2+O2)パージ体積(cc)を約40cc以上にすることで上記半値幅FWHM(°)が7°以上になることが分かる。なお、ここで、上記窒素ガスの流量に対する上記酸素ガスの流量の割合は、4分の1とした。図9から、上記(N2+O2)パージ体積(cc)が約40(cc)を下回ると上記半値幅FWHM(°)が7°よりも小さくなることが分かる。なお、上記窒素ガスの流量に対する上記酸素ガスの流量の割合は4分の1に限らず、例えば、10〜100%でもよい。 FIG. 9 shows the (N 2 + O 2 ) purge volume (cc), which is the sum of the volume (cc) of oxygen gas flowing into the sputtering chamber and the volume (cc) of nitrogen gas, on the horizontal axis. It is the graph which took the full width at half maximum FWHM (°) of the rocking curve of the (002) plane of the Ti film on the vertical axis. Referring to FIG. 9, it can be seen that when the (N 2 + O 2 ) purge volume (cc) is about 40 cc or more, the full width at half maximum FWHM (°) is 7 ° or more. Here, the ratio of the flow rate of the oxygen gas to the flow rate of the nitrogen gas was set to a quarter. From FIG. 9, it can be seen that the full width at half maximum FWHM (°) is smaller than 7 ° when the (N 2 + O 2 ) purge volume (cc) is less than about 40 (cc). Note that the ratio of the flow rate of the oxygen gas to the flow rate of the nitrogen gas is not limited to a quarter, and may be, for example, 10 to 100%.
すなわち、この第2実施形態の製造方法のように、上記Ti膜107のスパッタ前にスパッタチャンバー内に酸素ガスを流すことで、X線回折による(002)面のロッキングカーブの半値幅が7°以上であるTi膜107を形成できる。そして、このTi膜107にAl/TiNを積層してアニール(400〜550℃,10分)することで、オーミック電極111,112と2DEG層103との間の低いコンタクト抵抗(例えば2Ωmm以下)を達成できる。
That is, as in the manufacturing method of the second embodiment, by flowing oxygen gas into the sputtering chamber before sputtering of the
なお、上記実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、絶縁膜130、AlGaN層102、GaN層101をドライエッチングにより除去し、凹部106,109を形成したが、絶縁膜130をウェットエッチングにより除去し、その後AlGaN層102、GaN層101をドライエッチングにより除去することにより、凹部106,109を形成してもよい。また、上記実施形態の図7〜図9に示される一例では、Ti膜の(002)面のロッキングカーブの半値幅の上限は約7.2°であるが、スパッタリングによる成膜温度(50℃以下)やスパッタチャンバー内に流す酸素ガス量の設定によっては、(002)面のロッキングカーブの半値幅が9.0°であるTi膜を成膜することができた。この場合にも上記Ti膜上にAl,TiNをAl,TiNの順にスパッタリングしアニール(400〜550℃)して作製したオーミック電極のコンタクト抵抗を低い値2.0Ωmmにまで低減できた。例えば、上記Ti膜の成膜条件を、成膜温度200℃で、スパッタチャンバーに酸素ガスを20sccmで2.5分間流した後、窒素ガスを80sccmで2.5分間流すというサイクルを2サイクル実施することで、Ti膜の(002)面のX線回折によるロッキングカーブの半値幅FWHMが9.0°で、上記オーミック電極のコンタクト抵抗を2.0Ωmmとすることができた。
According to the nitride semiconductor device manufacturing method of the above embodiment, the insulating
また、上記実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、Ti/Al/TiNを積層してオーミック電極としたが、これに限らず、TiNはなくともよく、また、Ti/Alを積層した後、その上にAu,Ag,Ptなどを積層してもよい。 Further, according to the nitride semiconductor device manufacturing method of the above embodiment, Ti / Al / TiN is laminated to form an ohmic electrode. However, the present invention is not limited to this, and TiN may be omitted, and Ti / Al is laminated. Then, Au, Ag, Pt or the like may be laminated thereon.
また、上記実施形態では、Si基板を用いた窒化物半導体装置について説明したが、Si基板に限らず、サファイヤ基板やSiC基板を用いてもよく、サファイヤ基板やSiC基板上に窒化物半導体層を成長させてもよいし、GaN基板にAlGaN層を成長させる等のように、窒化物半導体からなる基板上に窒化物半導体層を成長させてもよい。また、基板と窒化物半導体層との間にバッファ層を形成してもよいし、窒化物半導体積層体の第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層との間にヘテロ改善層を形成してもよい。 In the above embodiment, the nitride semiconductor device using the Si substrate has been described. However, the present invention is not limited to the Si substrate, and a sapphire substrate or an SiC substrate may be used, and a nitride semiconductor layer is formed on the sapphire substrate or the SiC substrate. The nitride semiconductor layer may be grown on a substrate made of a nitride semiconductor, such as by growing an AlGaN layer on a GaN substrate. Further, a buffer layer may be formed between the substrate and the nitride semiconductor layer, or a hetero-improvement layer between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer of the nitride semiconductor stacked body. May be formed.
また、上記実施形態では、オーミック電極がGaN層に達するリセス構造のHFETについて説明したが、リセスを形成せずにアンドープAlGaN層上にソース電極およびドレイン電極となるオーミック電極を形成したHFETにこの発明を適用してもよい。また、この発明の窒化物半導体装置は、2DEGを利用するHFETに限らず、他の構成の電界効果トランジスタであっても同様の効果が得られる。 In the above-described embodiment, the recess structure HFET in which the ohmic electrode reaches the GaN layer has been described. However, the present invention is applied to an HFET in which an ohmic electrode serving as a source electrode and a drain electrode is formed on an undoped AlGaN layer without forming a recess. May be applied. In addition, the nitride semiconductor device of the present invention is not limited to an HFET that uses 2DEG, and the same effect can be obtained even with field effect transistors having other configurations.
また、上記実施形態では、ノーマリーオンタイプのHFETについて説明したが、ノーマリーオフタイプの窒化物半導体装置にこの発明を適用してもよい。また、ショットキー電極に限らず、絶縁ゲート構造の電界効果トランジスタにこの発明を適用してもよい。また、この発明は、電界効果トランジスタに限らず、ショットキーダイオードのオーミック電極に適用してもよい。 In the above embodiment, a normally-on type HFET has been described. However, the present invention may be applied to a normally-off type nitride semiconductor device. Further, the present invention may be applied not only to a Schottky electrode but also to a field effect transistor having an insulated gate structure. The present invention is not limited to a field effect transistor, and may be applied to an ohmic electrode of a Schottky diode.
この発明の窒化物半導体装置の窒化物半導体は、AlxInyGa1−x−yN(x≦0、y≦0、0≦x+y≦1)で表されるものであればよい。 The nitride semiconductor of the nitride semiconductor device of the present invention may be any material expressed by Al x In y Ga 1-xy N (x ≦ 0, y ≦ 0, 0 ≦ x + y ≦ 1).
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。 Although specific embodiments of the present invention have been described, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention.
1,101 GaN層
2,102 AlGaN層
3,103 2DEG層
10 Si基板
11 ソース電極
12 ドレイン電極
13 ゲート電極
15 AlGaNバッファ層
20,120 窒化物半導体積層体
30,130 絶縁膜
40 層間絶縁膜
41 ビア
42 ドレイン電極パッド
106,109 凹部
111,112 オーミック電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 GaN layer 2,102 AlGaN layer 3,103
Claims (5)
上記基板上に形成されていると共にヘテロ界面を有する窒化物半導体積層体と、
上記窒化物半導体積層体上または上記窒化物半導体積層体内に少なくとも一部が形成されたTiAl系材料からなるオーミック電極と
を備え、
上記窒化物半導体積層体は、
上記基板上に形成された第1の窒化物半導体層と、
上記第1の窒化物半導体層上に形成されていると共に上記第1の窒化物半導体層とヘテロ界面を形成する第2の窒化物半導体層と
を有し、
上記TiAl系材料からなるオーミック電極は、
上記窒化物半導体積層体上にX線回折による(002)面のロッキングカーブの半値幅が7°以上であるTi膜を形成し、このTi膜上にAl膜を積層し、上記Al膜に上記Ti膜のTiが拡散するように熱処理して作製されていることを特徴とする窒化物半導体装置。 A substrate,
A nitride semiconductor multilayer body formed on the substrate and having a heterointerface;
An ohmic electrode made of a TiAl-based material formed at least partially on the nitride semiconductor multilayer body or in the nitride semiconductor multilayer body,
The nitride semiconductor laminate is
A first nitride semiconductor layer formed on the substrate;
A second nitride semiconductor layer formed on the first nitride semiconductor layer and forming a heterointerface with the first nitride semiconductor layer;
The ohmic electrode made of the TiAl-based material is
A Ti film having a half-width of a rocking curve of (002) plane by X-ray diffraction of 7 ° or more is formed on the nitride semiconductor multilayer body, an Al film is laminated on the Ti film, and the Al film is laminated on the Al film. A nitride semiconductor device manufactured by heat treatment so that Ti in a Ti film diffuses.
上記窒化物半導体積層体は、
上記第2の窒化物半導体層を貫通して上記ヘテロ界面近傍の2次元電子ガス層に達する凹部を有し、
上記凹部に上記オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれていることを特徴とする窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1,
The nitride semiconductor laminate is
Having a recess that penetrates the second nitride semiconductor layer and reaches the two-dimensional electron gas layer near the heterointerface;
A nitride semiconductor device, wherein at least part of the ohmic electrode is embedded in the recess.
上記窒化物半導体積層体上に、50℃以下の温度でTiをスパッタリングして、X線回折による(002)面のロッキングカーブの半値幅が7°以上であるTi膜を形成し、上記Ti膜上にAl膜を積層してTi/Al層を形成し、
上記Al膜に上記Ti膜のTiが拡散するように上記Ti/Al層を熱処理して、TiAl系材料からなるオーミック電極を形成することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 First and second nitride semiconductor layers are sequentially formed on a substrate to have a heterointerface by the first and second nitride semiconductor layers, and a two-dimensional electron gas layer is formed in the vicinity of the heterointerface. So as to form a nitride semiconductor stack,
On the nitride semiconductor laminate, Ti is sputtered at a temperature of 50 ° C. or less to form a Ti film having a half-width of a rocking curve of (002) plane by X-ray diffraction of 7 ° or more, and the Ti film Laminating an Al film on top to form a Ti / Al layer,
A method of manufacturing a nitride semiconductor device, comprising: heat-treating the Ti / Al layer so that Ti of the Ti film diffuses into the Al film to form an ohmic electrode made of a TiAl-based material.
スパッタチャンバー内に酸素を流してから上記窒化物半導体積層体上にTiをスパッタして、X線回折による(002)面のロッキングカーブの半値幅が7°以上であるTi膜を形成し、上記Ti膜上にAl膜を積層して、Ti/Al層を形成し、
上記Al膜に上記Ti膜のTiが拡散するように上記Ti/Al層を熱処理して、TiAl系材料からなるオーミック電極を形成することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 First and second nitride semiconductor layers are sequentially formed on a substrate to have a heterointerface by the first and second nitride semiconductor layers, and a two-dimensional electron gas layer is formed in the vicinity of the heterointerface. So as to form a nitride semiconductor stack,
After flowing oxygen into the sputter chamber, Ti is sputtered on the nitride semiconductor laminate to form a Ti film having a half-width of the rocking curve of the (002) plane by X-ray diffraction of 7 ° or more. Laminating an Al film on the Ti film to form a Ti / Al layer,
A method of manufacturing a nitride semiconductor device, comprising: heat-treating the Ti / Al layer so that Ti of the Ti film diffuses into the Al film to form an ohmic electrode made of a TiAl-based material.
上記窒化物半導体積層体を形成した後、エッチングにより上記第2の窒化物半導体層を貫通して上記ヘテロ界面近傍の2次元電子ガス層に達する凹部を形成し、
上記オーミック電極は、上記窒化物半導体積層体の凹部に少なくとも一部が埋め込まれるように形成することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the nitride semiconductor device according to claim 3 or 4,
After forming the nitride semiconductor stacked body, etching forms a recess that penetrates the second nitride semiconductor layer and reaches the two-dimensional electron gas layer near the heterointerface,
The method of manufacturing a nitride semiconductor device, wherein the ohmic electrode is formed so as to be at least partially embedded in a concave portion of the nitride semiconductor multilayer body.
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